牺牲阳极保护法

牺牲阳极技术在钢制煤气管道工程中的应用

摘要：介绍了电化学腐蚀及牺牲阳极的原理。牺牲阳极保护技术的使用情况，牺牲阳权保护的设计、计算、施工及投资测算与经济分析。

1 电化学腐蚀及牺牲阳极的原理

地下燃气管道在使用过程中，存在不同性质的腐蚀。其中电化学腐蚀对于埋地煤气钢管威胁最大。因为电化学腐蚀集中一点，而且速度较快，腐蚀一旦发生、其速度不会减慢也会不停止、往往造成局部穿孔。产生电化学腐蚀原因如下：由十土壤各处物理化学性质个问，管道本身各部分的金相组织结构个同，如品格的缺陷及含有杂质、金属受冷热加工而变形产生内部应力、特别是钢管表面粗糙度不同等原因，使一部分金属容易电离，带正电的金属离子离开金属、而转移到土壤里，在这部分管段上电子越来越过剩，电位越来越负；而另一部分金属不容易电离，相对来说电位较正。因此电子沿管道由容易电离的部分向不容易电离的部分流动、在这两部分金属之间的电子有得有失，发生氧化一还原反应。失去电子的金属管段成为阳极区，得到电子的金属管段成为阴极区。腐蚀电流从阴极流向阳极、然后从阳极流离管段，经土壤又回到阴极，形成回路。在作为电解质溶液的土壤中发生了离子迁移、带正电的阳离子(如H )趋向阴极、带负电的阴离子(如OH-)趋向阳极。在阳极区带正电的金属离子与带负电的阴离子发生电化学作用、使阳极区的金属离子不断电离而受到腐蚀，使钢管表面出现凹穴，以致穿孔；而阴极则保持完好、如图1所示。

基于以上原理，采用牺牲阳极保护技术可保护埋地钠管不受电化学腐蚀。具体原则如图2所示。采用比钢管电位较负的金属材料和钢管相连，电极电位较负的金属与电极电位较正的。

图2 牺牲阳极保护技术原理图

被保护钢管在土壤中形成原电池、作为保护电源，电位较负的金属成为阳极、输出电流过程中遭受破坏，故达到保护钢管的效果。

2牺牲阳极保护技术的使用情况

以前常州市城市煤气中压管网主要使用铸铁管，连接方式是柔性机械接口，使用钢管的工程不多。但随着燃气用户的发展、管网压力的提高，考虑到今后天然气的引入及过渡、钢管越来越广泛的被应用。与铸铁管相比，钢管具有耐压强度高；对预先加工成较长的管段，减少现场施工的困难；焊接接U的抗震、抗压性能高的优点，我们在常锡路、城中北路等新敷设的小压管网使用了埋地钢管。但在我市怀德桥改建工程中，有部分敷设以有十年以上的过街钢管被挖掘出来，虽然钢管表面仍有残留的防腐绝缘层。但由于没有实行牺牲阳极保护技术，钢管表面留有凹坑。根据这些情况表明、埋地钢管外壁防腐绝缘层的损坏是造成管道遭受土壤腐蚀的主要原因。而绝缘层的损坏在施工、维修过程中往往是不可避免的，一旦出现绝缘层的损坏，腐蚀就在被损坏的部位剧烈地进行。为了延长使用寿命、

取得良好的经济效益，我们决定对中压管网采用牺牲阳极保护和环氧煤沥青防腐绝缘层保护相结合的方法来达到防腐的目的。

3牺牲阳极保护的设计

以城中北路中压煤气钢管工程为例。经测试该管线地段属中等强度腐蚀性土壤，土壤电阻率取450·m，我们选用了11kg级MUG—3型镁合金牺牲阳极、阳极尺寸为700 x(70 110)* 90mm。

(1)保护对象和范围：a．外环路口至北环路中压煤气埋地钢管：管Φ426。长度为750m。总表面积为1003m2。b．外环路干管：管Φ426、长度为115m、总表而积为154m2。

(2)保护期限为25年。

(3)在有效保护期内、被保护地下钢管的保护电位控制在＜—0．85V(相对铜／饱和硫酸铜参比电极)。

(4)计算

①保护电流的计算

被保护管道所需的保护电流可用下式计算：

I＝i * s (1)

式中 I——被保护管道所需的保护电流，A

i——被保护管道的总表面积，m2

s——管道所需最小保护电流密度、mA／m2

根据经验数据，我们选取最小保护电流密度为i=o．5mA／m2，则埋地管线保护电流：

a．城中北路路段：

I1＝i×s1＝0．5×1003＝501(mA)

b．外环路路段：

I2＝ixs2＝0．5x154＝77(mA)

2镁阳极发生电流的计算

每只镁合金牺牲阳极发生电流按下式计算

If＝(Ep一Ea)／R (2)

式中 If——每支阳极发生电流，mA

Ea———阳极工作电位，V 本方案取—1。50V

Ep——阴极最小保护电位，V本方案取-0。85V

R——每支牺牲阳极的接地电阻，Ω

牺牲阳极的接地电阻R可按下式计算 (3)

根据阳极实际发电量计算阳极用量. Ra=ρln(L/r)/2πL. Ra=阳极接地电阻(ohms)

式中 p——土壤接地电阻率，Ω.m本方案取45

D——阳极填料包直径、m 本方案取0．3

1——阳极填料包长度。m 本方案取1

t——阳极，f1心至地面距离。m本方案取1 得 R＝14．8o

将R值代入(2)式得 If＝44mA。

③阳极用员计算

阳极用员可按卜式计算：N＝I／If

式中 N——所需阳极支数、支

I——所需保护电流，mA

If——每支阳极发生电流、mA／支

a．城中北路路段

N1＝Il／If＝501／44＝11(支)

b．外环路路段 N2＝I2／If＝77／44＝2(支)

共计使用N＝N1十N2＝11十2＝13(支)。

考虑到和钢管焊缝位置及相连铸铁管要吸收部分保护电流、所以我们进行设计时、镁阳极实际取18支。

④阳极使用寿命核算

阳极有效使用寿命按下式计算：

式中 Y——阳极有效使用寿命、年

g——每支阳极重量，kg／支本方案取11

If——每支阳极实际发生电流量，mA

Q——镁阳极实际电容量，A·h／kg：本方案取1100

1／K——镁阳极有效利用系数，本方案取o．75

其中 If＝0．9×If＝0．9x 44mA

则 Y＝26年。

4牺牲阳极保护技术的施工

4．1阳极与电缆电性连接情况检测

阳极到货后，必须用万用表逐支检测阳极与电极之间的电性连接情况，如果发现电性连接不好或断线的阳极，则不能在施工中使用

，此外，在施工过程中严禁用力提拉电缆线，防止电缆接头折断。

4。2阳极表面处理

为加速阳极表面活化，应在组装阳极之前，将阳“．极表面的油污、氧化物除净。其方法采用砂纸或手动砂轮将阳极打磨一遍，然后用丙酮或无水乙醇擦拭干净。

4．3阳极填料包组装

阳极填料包填料有膨润土、硫酸钙、硫酸镁按照50%、25%、25%比例充填，每条特制的白布袋填充料50kg，装一支经表面处理过的11kg级镁合金牺牲阳极、阳极放在填料包的正中央、阳极必须被填充料紧密包敷、严禁明显偏心，见图3。

4．5阳极床浇水

阳极填料包放入阳极坑后，必须对坑内浇水、坑内水位必须完全浸没阳极填料包，且坑内常积水时间必须超过十小时、以便彻底浸没填料包。

4．6阳极性能测试

(1)阳极填料包装被水浸透后，必须待检测人员对阳极开路电位进行测试后，方可与管道连接。

(2)阳极与管道连接后，必须待检测人员进行阳极工作电位测试后，方可在焊缝处进行防腐。

4．7阳极与管道连接形式

阳极与被保护的管线之间均采用电焊连接、即将阳极导电缆—端有铜鼻广的方钢片直接焊在被保护的钢管上，焊缝小两条、总长度大丁60mm、焊点处及时补涂与管道相同的防腐涂料、防腐等级与管道防腐等级相同，并按相同的规范要求进行防腐涂层质量验收、参阅图示4.

4．8阳极床回填

阳极床回填时严禁向阳极坑内回填砂石、水泥块、塑料等杂物。应回填电阻率低的细土，并应防止后阳续施工中碰断电缆。

5牺牲阳极保护的验收

阳极填料边被水浸透后、必须对阳极件能进行测试，测试内容及指标如下：

(1)阳极开路电位：镁合金牺牲阳极开路电位必须负于—1．5V。该数据足衡量阳极质量好坏的重要标准。

(2)阳极与管道连接后、测量阳极工作电位、该数据是评定牺牲阳极保护项目的实施质量的标准。

(3)管道自然电位：属管道的自然属性、当管道受到腐后、电位会趋正。

6投资测算与经济分忻

6．1投资测算

城中北路工程共埋设Dn400螺旋焊缝中压钢管865mm我们共设置了18支型号为MUG一3的镁合金阳极。

注：0十376、0十612、0十706．4三个桩基号中。由于焊接点的方钢片被污垢附着，使得自然电位偏负。

阳极材料费用：0．25万元／支x18＝4．5万元

阳极安装费用：0．036万元／支x18＝0．648万元

小计 : 5．148万元

管道总投资费用：166万元／公里x 0．865＝143．59万元

阳极保护费用占总投资比例： 3．58％．

6．2经济分析

假设城中北路中压钢管上没有设置阳极保护，其使用年限为15年、若不计残值、每年折旧费用约为10万元。

若使用了阳极保护，其使用年限可达25年，若不计残值、每年折旧费用约为6万元。两者相LL，每年可节约折旧费4万元、经济效益是极为显著的。

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电池腐蚀2

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摘要：接地装置的腐蚀是普遍存在的现象，若无完善的防腐蚀措施，将会导致接地性能的下降，造成电气灾害事故。本文剖析了接地装置的腐蚀机理，指出接地装置的腐蚀的主要为电化学腐蚀，介绍了牺牲阳极的阴极保护法及其设计。

关键词：接地装置阴极保护防腐原电池腐蚀

1、接地装置腐蚀后的危害

在我国现阶段，接地的材料主要为碳钢。接地装置埋设在地下，发生腐蚀后，接地体截面减小，碳钢材料变脆、起层、松散甚至断裂，造成接地性能不良，接地电阻明显增大，对电力设施、电子电气设备的正常运行、人生安全将产生巨大的潜在威胁。一般地区的接地装置使用寿命在30年左右，而在福建某变电站发现其接地装置只运行了8 年，就已经严重地腐蚀掉，探其原因是福建地区沿海，土壤显强酸性，腐蚀更为严重[8]。由于接地装置埋设在地下，对其翻修改造是相当费劲和困难的，其费用也是巨大的，因此延长接地装置使用寿命，有着巨大的意义。

2、接地装置的腐蚀机理

接地装置的腐蚀机理主要有两类：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指接地装置金属表面与非电解质直接发生纯化学作用而引起的腐蚀，腐蚀时没有电流产生。

电化学腐蚀是指接地装置金属表面与电解质发生电化学反应而引起的腐蚀，腐蚀时有电流产生。它的原理是由于形成了原电池。所谓原电池就是将两种不同的金属插入任何电解质溶液中而构成的装置。例如将锌板和铜板放入强酸溶液中，由于锌的电极电位（-0.763V）比铜的电极电位（+0.337V）低，用导线将它们连接起来后，在电位差的作用下，锌不断地把电子经连接导线传导给铜，并将自己的正离子Zn2+投入电解质溶液，锌即溶解，遭受腐蚀。通常规定电位较低的电极为阳极，电位较高的电极为阴极。

3、阴极保护法的防腐原理

以上面锌与铜的原电池实验可知，较活泼的金属锌，其电极电位较低为阳极，较不活泼的金属铜为阴极。在原电池反应中，锌不断地把电子经连接导线传导给铜，并将自己的正离子投入电解质溶液，锌即溶解，遭受腐蚀；与此同时，铜仅起到传递电子的作用，使其周围的氢离子还原为氢气，从铜的表面逸出，而铜本身没有变化。这就是阴极保护法。

阴极保护就是在金属表面通以足够大的阴极电流，使金属表面阴极极化，从而防止表面发生电化学腐蚀。它具有保护效果好、保护周期长、施工方便等突出优点。阴极保护可以通过牺牲阳极法和外加电流法两种方式实现。牺牲阳极法就是通过在要保护的接地网上连接性质活泼、更容易腐蚀的金属或合金(如镁合金、锌合金等) 作为阳极，依靠阳极的腐蚀溶解达到保护阴极(接地网)的目的。外加电流法则是利用外加直流电源，将被保护的金属与电源负极连接，使之变成阴极而达到防止金属腐蚀的目的。两种保护方式各有千秋，具体的选择应根据保护电流、土壤电阻率及现场的其他情况决定[8]。

4．牺牲阳极的阴极保护法设计

4.1、用四极法测定不同时间、不同气候条件下及不同深度的土壤电阻率ρ。

4.2、根据所测土壤电阻率ρ，决定选用牺牲阳极的类型。ρ<20Ω?m 时，选用锌阳极；20Ω?m≤ρ≤100Ω?m 时，选用镁阳极；ρ>100Ω?m 时，除特殊情况采用带状镁阳极外，一般不采用牺牲阳极保护，而采用外加电流保护。

4.3、确定接地网最小保护电流密度δ。接地网最小保护电流密度由土壤腐蚀性（土壤电阻率、氧化还原电位）确定，一般在5～50 mA/ m2。

4.4、根据接地网所用碳钢的外形尺寸、总长计算受保护的总面积，按选定的保护电流密度计算所需的阴极保护总电流。

阴极保护总电流的计算，I=S?δ

式中 S——接地网的防蚀表面积，m2

4.5、按公式计算阳极接地电阻与输出电流，按阴极保护设计年限计算所需的阳极质量，再根据单个阳极质量计算出需布置的阳极个数。

（1）单只阳极接地电阻计算【7】： R=(ρ/2πL) ×｛ln(2L/D)+ ln(L/2t)+(ρa/ρ)×(lnD/d)｝

式中ρ——土壤电阻率，Ω?m

ρa——填料包电阻率，Ω?m ,

L ——阳极长度，m

D ——填料包直径，m

T ——阳极中心至地面距离，m

（2）单只阳极输出电流计算（忽略回路电阻、阴极过渡电阻）：Ia＝(Ep一Ea)／R 式中 Ea ——阳极工作电位，V

Ep ——阴极保护电位，V

R ——每支牺牲阳极的接地电阻，Ω

（3）保护所需的阳极数量计算：N=f×I / Ia

式中 f——备用系数，取2-3倍

（4）阳极工作寿命计算：T=0.85M/（w?I）= 0.85Nm/（w?I）

式中 M——阳极总质量，kg

m——单个阳极重量，kg

w——土壤中消耗率，kg/A?a

4.6、确定牺牲阳极的埋设方式及埋设深度，选择填包料，并确定填料的电阻率。

4.7、实地检测保护电位，检查保护效果。

除按以上计算公式分析外，设计牺牲阳极法阴极保护时，应考虑以下几点：

（a）牺牲阳极应设在土壤潮湿，地势低洼，且透气性差的地区，土壤电阻率以50～60Ω?m 为宜，不超过80Ω?m.

（b）为了减少屏蔽作用，阳极间距离以3m为宜，阳极与被保护地网的间距也以3m为宜.阳极组适于小集中、大分散布置.每组根数以6根为宜，可水平或垂直敷设.阳极组的间距一般为1～2m.

5、接地网外加电流式阴极保护设计

外加电流法或称有源法。外加电流法除按接地网保护总电流选择恒电位仪、辅助阳极外，其余基本与牺牲阳极的阴极保护法的设计同。

6．结论

接地装置腐蚀的主要是电化学腐蚀，采用保护层、加入缓蚀剂都不能做到长期保护，采用铜合金又因资源缺乏成本过高难以推广。利用镁合金采取牺牲阳极的阴极保护法不仅适合新建接地装置的防护，而且还用来对一些接地装置进行改造，技术经济性好，可望实现接地装置长治久安的目标。

参考文献

1 陈先禄，接地，重庆：重庆大学出版社，2001(08)

2 陈匡民，过程装备腐蚀与防护，北京，化学工业出版社，2001(05)

3 实用接地技术专辑（《电世界》增刊），上海潘登

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5 任承飚，冯斌，周卫华，何铁祥，接地网的腐蚀与牺牲阳极保护法[J]，湖南电力，2003(05) 6刘连睿，变电站接地装置防腐措施研究[J]，华北电力技术，2000(07)

7卢刚，耿风慧，丁锐等，变电站接地网的“阴极保护”防腐技术[J]，供用电，2001(10) 8万欣，李景禄，接地装置的腐蚀及防腐蚀措施的研究[J]，电瓷避雷器，2006(04)